劉傳玉：以海洋之深成科學(xué)之美

本刊記者　杜月嬌

劉傳玉在辦公室

地球海洋面積約為3.6億平方公里，約占地球表面積的71%，她不僅是生命的搖籃，大氣的襁褓，資源的寶藏，也是國家商貿(mào)的窗口，國防的前哨，具有深遠(yuǎn)的研究意義。

中國是世界上利用海洋最早的國家之一。古人很早就已從海洋收取“漁鹽之利”和“舟楫之便”，同時不斷地觀察和認(rèn)識海洋，積累了大量的海洋知識。特別是自20世紀(jì)50年代以來，中國的海洋科學(xué)研究逐步展開并取得了大量成果，為開發(fā)利用海洋資源，振興經(jīng)濟(jì)，作出了越來越多的貢獻(xiàn)。

遼闊的海洋，美麗而又神秘。從事科研以來，中國科學(xué)院海洋研究所劉傳玉研究員正是將海洋作為自己的研究對象，在中小尺度的海洋運(yùn)動層面，以海洋數(shù)據(jù)同化及應(yīng)用作為主要方法，以海洋混合作為研究主線，進(jìn)行科研創(chuàng)新，助力我國的海洋事業(yè)發(fā)展，在蔚藍(lán)的海洋中激起了朵朵科研的浪花。

踏上海洋研究的征程

海納百川，有容乃大。劉傳玉從小就對大海充滿了向往。大學(xué)時，他就讀于中國海洋大學(xué)海洋系海洋科學(xué)專業(yè)，在海洋科學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識和基本技能方面打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)?！耙话闾崞鸷Ｑ笱芯?，人們自然而然地便會想到波浪、潮汐等與人們切身相關(guān)的東西，而除此之外，還有一些科研方向亟待人們?nèi)ヌ剿?、發(fā)掘。比如，海洋熱量如何通過1米到100公里尺度的海洋運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)再分布的問題就是其中之一?！眲饔裾f。而他的研究方向就是由此而展開的。

物理海洋學(xué)是以物理學(xué)的理論、技術(shù)和方法，研究海洋中的物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律，并研究海洋水體與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互作用的科學(xué)，是海洋科學(xué)的一個重要分支，在資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、軍事活動、海岸設(shè)施和海底工程等方面有重要的應(yīng)用。從19世紀(jì)末開始，一些杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家就開始對海洋中的重要物理現(xiàn)象進(jìn)行過研究，為物理海洋學(xué)的形成和發(fā)展奠定了觀測和理論基礎(chǔ)。大約從上世紀(jì)中葉開始，我國的海洋科學(xué)家們在該領(lǐng)域開始了持續(xù)的研究工作并獲取了一系列重要成果，激勵了一批又一批的年輕人投入其中。

從中國海洋大學(xué)畢業(yè)后，劉傳玉前往中國科學(xué)院海洋研究所物理海洋學(xué)專業(yè)進(jìn)行碩博連讀，繼續(xù)在這一領(lǐng)域中開拓、創(chuàng)新，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著國家實(shí)力的增強(qiáng)和各行各業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國的海洋事業(yè)也迎來了嶄新的發(fā)展期，更堅定了他進(jìn)行海洋研究的決心。為了學(xué)習(xí)更多新的科研方法，開闊科研思路，博士畢業(yè)后，他毅然前往德國漢堡大學(xué)海洋研究所進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)研究，在海洋的中小尺度的模擬、海洋模型的建立以及數(shù)據(jù)修正方面，展開了一系列的科研攻關(guān)。

海洋科研中的新突破

遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)，漂洋海外，劉傳玉的心中只有一個目標(biāo)，就是學(xué)習(xí)先進(jìn)的科研知識，在科研方面取得更多創(chuàng)新性突破。工夫不負(fù)有心人，在德國研究、工作的6年間，劉傳玉通過自己的不懈努力，在海洋同化和海洋混合等方向做出了一批創(chuàng)新性成果。

溫躍層是海水溫度隨深度而遞減，在遞減率（或溫度梯度）最大處的一定厚度的水層，是生物以及海水環(huán)流的一個重要分界面，對于厄爾尼諾的發(fā)生和變異機(jī)理研究及模擬預(yù)測具有重要意義。

將此作為研究對象，劉傳玉和合作者們利用Argo高垂向分辨率溫鹽資料和TAO（熱帶大氣海洋）觀測陣列的高時空分辨率溫鹽流資料，發(fā)現(xiàn)了赤道東太平洋冷舌區(qū)溫躍層內(nèi)存在著普遍的、較強(qiáng)的垂向混合。這些混合可以發(fā)生在從溫躍層上部到下部的所有區(qū)域，也能發(fā)生在赤道潛流流核以下的區(qū)域。該研究為改進(jìn)垂向混合參數(shù)化方案提供了觀測依據(jù)，同時也為備受世人關(guān)注的厄爾尼諾動力學(xué)研究提供了新的視角，成果發(fā)表在Nature Communications期刊上。

除此之外，劉傳玉和合作者們還改進(jìn)了全球四維變分（伴隨）同化大洋狀態(tài)估算系統(tǒng)GECCO(German version of Estimate the Circulation and Climate of the Ocean)，對海洋內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化估算。GECCO系統(tǒng)（其前身是ECCO系統(tǒng)）是國際上僅有的少數(shù)幾個大洋估算系統(tǒng)之一，主要功能是通過同化觀測數(shù)據(jù)矯正海洋模式的海表面驅(qū)動場、初始場及海洋參數(shù)等。

“在天氣預(yù)報的播報過程中，我們能在云圖中看到云朵飄來，也能看到風(fēng)的吹動，這些都是計算模擬出來的。與之相同的是，海洋也有自己的計算模型，在建立模型之后，也會對其進(jìn)行一系列的修正，讓計算結(jié)果變得更加準(zhǔn)確。”劉傳玉說。

在這一研究中，劉傳玉和合作者在準(zhǔn)確模擬海洋大尺度狀態(tài)的基礎(chǔ)上，首次優(yōu)化了較高分辨率海洋模型中海洋內(nèi)部參數(shù)，即表征模式次網(wǎng)格過程對大尺度影響效應(yīng)的混合系數(shù)，引領(lǐng)了新的研究方向。他們利用GECCO系統(tǒng)給出的最優(yōu)估算，闡明了全球大洋中尺度渦致側(cè)向混合系數(shù)（等密度層厚度擴(kuò)散系數(shù)和粒子沿等密度面擴(kuò)散系數(shù)）的空間結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。發(fā)現(xiàn)了上述混合系數(shù)與當(dāng)前海洋環(huán)流模式普遍采用的空間均一的系數(shù)具有很大的差異，其空間結(jié)構(gòu)依賴于中尺度渦的統(tǒng)計特征和局地線性不穩(wěn)定性等物理機(jī)制。通過這項(xiàng)研究，他們指出了海洋內(nèi)部混合系數(shù)本身也體現(xiàn)出物理規(guī)律，也需要參數(shù)化，而不能僅僅采用經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。證明了優(yōu)化的海洋系數(shù)可以很大程度地改進(jìn)海洋模擬的精度，是改進(jìn)現(xiàn)有海洋模式精度的研究方向。這些成果發(fā)表在Journal of Physical Oceanography和Ocean Modelling等期刊上，引起了領(lǐng)域內(nèi)的強(qiáng)烈關(guān)注。該項(xiàng)成果為海洋中尺度過程對大尺度過程的研究提供了新的視角。

回國在海洋研究中繼續(xù)馳騁

對劉傳玉來說，出國，是為了自己的遠(yuǎn)大志向，是對科研知識學(xué)習(xí)的無限渴望。廣博的海洋中，蘊(yùn)含著美妙的科學(xué)規(guī)律，等待著人們的探索。植根于寬廣的海洋，作為一名海洋學(xué)研究者，若能揭示其些許的科學(xué)規(guī)律，都將是讓人倍感激動的美事。而回國則是本著一顆初心，為了將自己學(xué)習(xí)的科研知識更好地服務(wù)于祖國的海洋科研事業(yè)。劉傳玉說，現(xiàn)如今國內(nèi)的科研環(huán)境越來越好了，也給了許多科研人員新的機(jī)會，回到祖國，他會有更大的空間，可以在科研領(lǐng)域大展身手。

來到中國科學(xué)院海洋研究所之后，劉傳玉基于中科院海洋所“一三五”規(guī)劃中“在熱帶西太平洋環(huán)流變異及其對氣候、環(huán)境的影響上要實(shí)現(xiàn)大突破”的目標(biāo)，在自己已有研究成果基礎(chǔ)之上，開始了新的科研探索之路。2017年1月，劉傳玉成功入選了中央組織部“千人計劃”青年項(xiàng)目，在“面向“兩洋一?！钡娜蚋叻直媛屎Ｑ髷?shù)據(jù)同化系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用”中展開了科研攻關(guān)。

“兩洋一海”（西太平洋、印度洋和南海的統(tǒng)稱）是我國直接毗鄰的海洋，其水氣動力輸送對我國氣候有重要影響，其海洋環(huán)流對我國近海的海洋環(huán)境也有著直接影響，另外，“兩洋一海”在全球氣候變化中也起著關(guān)鍵作用。這使它成為我國海洋學(xué)重點(diǎn)研究的區(qū)域。在這一項(xiàng)目中，劉傳玉將對自己參與研發(fā)的全球大洋四維變分（伴隨）大洋估算系統(tǒng)（GECCO）模式，進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)展，使之面向“兩洋一?！边M(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，以此來研究熱帶西太平洋環(huán)流變異對局地及遠(yuǎn)程海洋參數(shù)的敏感性及響應(yīng)機(jī)理，以及研究其他各類多尺度過程及其相互作用等。

此外，得到國家自然基金委資助的“全球大洋中尺度渦致側(cè)向混合系數(shù)各向異性分布規(guī)律及大尺度效應(yīng)研究”項(xiàng)目以及科技部資助的“我國大洋觀測系統(tǒng)評估”項(xiàng)目也是劉傳玉團(tuán)隊的重點(diǎn)方向之一。在這一研究中，劉傳玉團(tuán)隊將通過利用低分辨率GECCO系統(tǒng)同化最近10年（2007-2016）顯著增加的Argo全球觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，以及我國在“兩洋一?！钡挠^測數(shù)據(jù)，確定中尺度渦致側(cè)向混合系數(shù)各向異性的重點(diǎn)發(fā)生區(qū)域、全球大洋的三維空間分布特征及物理機(jī)理，還會考察我國大洋觀測系統(tǒng)對數(shù)值模擬的改進(jìn)效用及最優(yōu)觀測布局，并進(jìn)一步考察其對水團(tuán)分布、熱量輸運(yùn)的影響。

中國既是陸地大國，也是海洋大國。劉傳玉深知，為了那份“海洋強(qiáng)國”夢，他們所要做的工作還有很多。如今，他早已迫不及待地想要投入到這重重挑戰(zhàn)當(dāng)中，為祖國的海洋科研事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量！